JP2000141155A - 工具交換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】工作機械への長尺の工具の自動工具交換が可能
であり、長尺の工具の設置スペースを最小化することが
できる工具交換装置を提供する。 【解決手段】略水平方向に沿った姿勢で保持された工具
を装着可能な工作機械の主軸装置の工具交換を行う工具
交換装置であって、工具を略鉛直方向に沿って保持する
工具保持手段としての工具ポット２３を有する工具マガ
ジン部２１と、工具Ｔを把持可能な把持アーム部６２
と、把持アーム部６２を旋回させる旋回機構部１５１と
を有し、略鉛直方向に沿って工具ポット２３によって保
持された状態の工具を把持アーム部６２によって把持
し、旋回機構部１５１による把持アーム部６２の旋回動
作のみによって、工具を略水平方向に沿った姿勢に変え
て主軸装置の装着可能な工具交換位置に移動する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、工作機械の主軸装
置との間で工具の交換を行う工具交換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】マシニングセンタ等の工作機械に内蔵ま
たは付設される工具交換装置は、たとえば、複数の工具
を収容する工具マガジンと、両端部に工具を把持する把
持部が形成され工作機械の主軸と工具マガジンとの間で
工具を交換するための工具交換アームとを有する構成の
ものが知られている。上記のような工具交換装置では、
たとえば、工具マガジンの所定の待機位置に移動された
工具と工具交換アームに対して所定の工具交換位置に位
置決めされた主軸との間で工具交換アームが旋回して待
機位置にある工具および主軸に装着された工具を把持
し、工具交換アームが直動して主軸に装着された工具を
抜き取り、再び工具交換アームが旋回および直動するこ
とにより、待機位置にあった新たな工具が主軸に装着さ
れることにより行われる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のような構成の工
具交換装置によって交換できる工具は、長さがある程度
の範囲に収まったものであり、工具交換装置に収まらな
い長尺の工具の場合には使用できない。このため、従来
においては、このような長尺の工具の交換は、たとえ
ば、長尺の工具を工作機械の近傍に設けた載置台上に載
置し、工具交換をしていた。しかしながら、長尺の工具
を載置台上に横置する構成では、載置台のスペースが広
くなり、また、工具交換に時間がかかり、構造、スペー
ス時間等の点で不利であった。また、長尺工具を長時間
横置きにすると、工具の剛性によっては、自重によるた
わみにより精度不良につながる場合もあった。

【０００４】本発明は、上記の問題に鑑みてなされたも
のであって、工作機械への長尺の工具の自動工具交換が
可能であり、長尺の工具の設置スペースを最小化するこ
とができる工具交換装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、略水平方向に
沿った姿勢で保持された工具を装着可能な工作機械の主
軸装置との間で工具の移動を行う工具交換装置であっ
て、前記工具を略鉛直方向に沿って保持する工具保持手
段を有する工具マガジン部と、前記工具を把持可能な把
持手段を有する把持アーム部と、前記把持アーム部を所
定の姿勢で保持し、当該把持アーム部を旋回させる旋回
機構部とを有し、前記把持手段によって把持された工具
の姿勢を、前記旋回機構部による前記把持アーム部の旋
回動作のみによって前記主軸装置および前記工具保持手
段とに装着可能な姿勢に変更可能である。

【０００６】前記把持アーム部は、前記把持手段を任意
の位置に直動させる移動手段をさらに有し、前記略鉛直
方向または略水平方向の姿勢に変換された前記工具を、
前記工具保持手段または前記主軸装置の所定の工具交換
位置に移動可能である。

【０００７】前記旋回機構部は、水平面に対して略４５
度傾斜した旋回軸を有し、前記把持アーム部は前記旋回
軸に保持されており、前記旋回軸を１２０度の角度で回
転させることにより、前記工具を鉛直方向に沿った姿勢
から略水平方向に沿った姿勢に移動する。

【０００８】本発明では、工具は工具マガジン部によっ
て略鉛直方向に沿って保持されるため、長尺の工具の設
置スペースが最小化される。また、本発明では、略鉛直
方向に沿って工具保持手段によって保持された工具は、
把持アーム部に把持され、旋回機構部の旋回動作のみに
よって略水平方向に沿った姿勢にされて主軸装置に装着
可能な工具交換位置に移動される。工具は旋回機構部の
旋回動作のみで移動されるため、工具の移動軌跡は最短
経路を通り、長尺の工具の工具交換動作が迅速となり、
また、工具交換動作が簡略化される。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図１は、本発明の工具交換
装置が適用された工作機械システムの一例を示す配置図
である。図１において、工作機械システムは、工具が装
着される主軸２０１を回転自在に保持する主軸ヘッド２
０２を有するマシニングセンタ２００と、主軸ヘッド２
０２に対向して設けられ主軸２０１とで長尺の工具を回
転自在に保持する工具サポート部２０３と、マシニング
センタ２００の側方に設けられ、通常の工具をマシニン
グセンタ２００との間で自動交換する工具交換装置２０
５と、マシニングセンタ２００を挟んで工具交換装置２
０５の反対側に設けられた長尺工具用の工具交換装置１
０とを有する。

【００１０】マシニングセンタ２００の主軸ヘッド２０
２は、図１の矢印Ａ１およびＡ２の方向に移動可能とな
っている。長尺の工具は、一端がマシニングセンタ２０
０の主軸２０１にチャッキングされ、他端が工具サポー
ト部２０３の保持部２０３ａに回転自在に保持される。
主軸２０１の駆動によって回転する長尺の工具は、主軸
２０１と工具サポート部２０３との間に配置固定された
ワークの切削加工を行う。

【００１１】図２は、本実施形態に係る長尺工具用の工
具交換装置１０の上面図であり、図３は図２の工具交換
装置の側面図である。図２および図３に示すように、工
具交換装置１０は、工具Ｔを収納する工具マガジン部２
１と、工具マガジン部２１とマシニングセンタ２００と
の間で工具Ｔを移動させる工具移動機構部６１とを有す
る。

【００１２】まず、工具マガジン部２１の構成について
説明する。図４は工具マガジン部の上面図であり、図５
は工具マガジン部２１の断面図である。工具マガジン部
２１は、ベース部材３５上に固定された駆動モータ３４
と、駆動モータ３４上に設けられたロータ部材２２と、
ロータ部材２２の外周に設けられた複数の工具ポット２
３とを有する。

【００１３】ロータ部材２２は、駆動モータ３４と連結
されており、駆動モータ３４によって任意の回転位置に
位置決めされる。ロータ部材２２の外周には、鉛直方向
に沿って直動案内レール３８が等間隔に複数設けられて
いる。

【００１４】工具ポット２３は、ロータ部材２２の外周
に設けられた直動案内レール３８に連結部材４２を介し
て移動自在に連結されている。工具ポット２３は、工具
Ｔの端部を挿入保持するための保持穴２３ａが鉛直方向
に沿って形成されており、この保持穴２３ａに工具Ｔの
一端が挿入されることにより工具Ｔは工具ポット２３に
よって保持される。

【００１５】工具ポット２３には、カバー部材４０が固
定されており、このカバー部材４０によって直動案内レ
ール３８が覆われている。ロータ部材２２の直動案内レ
ール３８の下端側には、ストッパ部材４３が設けられて
おり、このストッパ部材４３によって工具ポット２３の
直動案内レール３８からの脱落が防止されている。

【００１６】複数の工具ポット２３の外周の所定の位置
には、油圧シリンダ３０がベース部材３５に対して固定
されている。油圧シリンダ３０は、高圧の作動油によっ
て伸縮するピストンロッド３１を有しており、このピス
トンロッド３１の先端に係合部材３２が固定されてい
る。係合部材３２は、工具ポット２３の外側部に一体に
形成された被係合部材２７に係合可能になっている。被
係合部材２７は、断面がＴ字状に形成された嵌合部２７
ａが形成されており、この嵌合部２７ａに係合部材３２
の先端に形成されたＴ字状の係合部３２ａが嵌合する。

【００１７】駆動モータ３４は、回転部３４ａが所定の
回転軸を中心に回転し、回転部３４ａにロータ部材２２
が図示しない締結手段によって固定されている。上記構
成の工具マガジン部２１では、駆動モータ３４によって
ロータ部材２２を回転させ、所望の工具ポット２３を油
圧シリンダ３０の配設位置に移動する。この状態で、油
圧シリンダ３０の配設位置に移動した工具ポット２３の
外周の被係合部材２７の嵌合部２７ａに係合部材３２の
係合部３２ａが嵌合する。

【００１８】図５に示す矢印Ｂ１方向に油圧シリンダ３
０を駆動すると、工具ポット２３は上昇し、工具ポット
２３に保持されて工具Ｔは所定の工具交換位置ＰT に移
動する。この工具交換位置ＰT に移動した工具Ｔを上記
した工具移動機構部６１によってマシニングセンタ２０
０に運ぶ。あるいは、マシニングセンタ２００から工具
移動機構部６１によって工具交換位置ＰT に運んできた
工具Ｔに対して空の工具ポット２３を工具交換位置ＰT
に移動することにより、工具ポット２３に工具Ｔを保持
する。

【００１９】次に、上記の工具移動機構部６１の構成に
ついて説明する。図２および図３に示すように、工具移
動機構部６１は、工具Ｔを把持する把持アーム部６２
と、把持アーム部６２を旋回させる旋回機構部１５１と
を有する。ここで、図６は工具移動機構部６１の把持ア
ーム部６２の上面図であり、図７は図６の側面図であ
り、図８は工具移動機構部６１の把持アーム部６２の断
面図であり、図９は工具移動機構部６１の旋回機構部１
５１の側面図である。

【００２０】把持アーム部６２は、旋回機構部１５１の
旋回軸Ｊ１を中心に回動する回動部材６４に連結部材６
３によって連結されている。把持アーム部６２は、ロッ
ド部材６８と、ロッド部材６８が内挿されるシリンダ部
材６６と、工具Ｔを把持するための把持爪７０と、シリ
ンダ部材６６を矢印Ｄ１およびＤ２方向に駆動する駆動
機構部１２１とを有する。

【００２１】シリンダ部材６６は、円筒状の部材からな
り、把持爪７０側の先端部が連結板９２によって閉塞さ
れ、後端部が閉塞部材９３によって閉塞されている。シ
リンダ部材６６の外周は、軸方向の２か所で蓋部材８２
とブッシュ８４および蓋部材８６とブッシュ８８を介し
て保持部材８０によって保持されており、ブッシュ８
４、８８がシリンダ部材６６の外周面と摺動することに
より、シリンダ部材６６は矢印Ｄ１およびＤ２方向に移
動自在となっている。シリンダ部材６６の外周の段付き
部は、蓋部材８６とブッシュ８８と当接可能となってお
り、蓋部材８６とブッシュ８８とによってシリンダ部材
６６の矢印Ｄ２方向の移動が規制される。

【００２２】シリンダ部材６６内には、先端側にはシリ
ンダ室Ｓ１が形成され、後端部側には、皿バネ９０を収
容するための皿バネ収容空間Ｓ２が形成されている。シ
リンダ室Ｓ１内には、シリンダ部材６６内に挿入された
ロッド部材６８に形成されたピストン部６９が嵌合され
る。

【００２３】また、シリンダ部材６６には、軸方向に沿
って作動油の流路６６ａおよび６６ｂが形成されてお
り、これら流路６６ａおよび６６ｂはシリンダ室Ｓ１に
連通している。流路６６ａには、シリンダ部材６６の外
部から図示しない供給口から高圧の作動油が供給され
る。

【００２４】ロッド部材６８は、シリンダ部材６６内に
移動自在に設けられている。ロッド部材６８に形成され
たピストン部６９は、シリンダ部材６６内のシリンダ室
Ｓ１に嵌合している。ピストン部６９の両側の軸部は、
シリンダ室Ｓ１に嵌合固着された軸受部材９６および９
７にブッシュ部材９６ａおよび９７ａを介して移動自在
に保持されている。ピストン部６９は、軸受部材９６と
軸受部材９７との間で移動可能となっている。

【００２５】ロッド部材６８の皿バネ収容空間Ｓ２内に
位置する軸部には、カラー部材７４、皿バネ９０および
カラー部材７５が挿入され、カラー部材７５はロッド部
材６８の段付き部と締結部材７６とによってロッド部材
６８の軸端部に固定されている。皿バネ９０は、カラー
部材７４とカラー部材７５との間で伸張する方向に弾性
力を作用させており、ロッド部材６８は矢印Ｄ２方向に
付勢されている。

【００２６】ロッド部材６８の先端には、各把持爪７０
の係合部７０ａが係合する係合溝部６８ａが形成されて
いる。把持爪７０は、シリンダ部材６６の先端に固定さ
れた支持部材１００に転結軸７１を介して回動自在に連
結されている。把持爪７０の係合部７０ａがロッド部材
６８の係合溝部６８ａに係合することで、各把持爪７０
は皿バネ９０の付勢力によって閉じ、両方の把持爪７０
の把持部７０ｂで工具Ｔを挟んだ状態で工具Ｔをクラン
プする。また、上記したシリンダ室Ｓ１に流路６６ａを
通じて高圧の作動油を供給すると、ピストン部６９には
皿バネ９０の付勢力に抗する力が作用し、ロッド部材６
８は矢印Ｄ１方向に移動し、両方の把持爪７０は開き、
把持部７０ｂで挟んだ工具Ｔをアンクランプする。

【００２７】ロッド部材６８の後端には、２つの近接部
材１３４および１３５が所定の間隔で設けられている。
また、近接部材１３４および１３５の近傍には、２つの
近接スイッチ１３０および１３１が閉塞部材９３に対し
て設けられている。この構成により、近接スイッチ１３
０および１３１によって、近接部材１３４および１３５
の位置を検出し、ロッド部材６８の移動位置を検出する
ことができ、把持爪７０のクランプ状態およびアンクラ
ンプ状態を検出することができる。

【００２８】駆動機構部１２１は、油圧シリンダ１２２
と、油圧シリンダ１２２に伸縮自在に内蔵されたピスト
ンロッド１２３と、一端がピストンロッド１２３に連結
され他端が上記の連結板９２に連結された連結ロッド１
２４とを有する。

【００２９】連結ロッド１２４は、保持部材８０の外周
に形成された保持部８０ａによって軸受部材１０１を介
して移動自在に保持されている。また、ピストンロッド
１２３は、保持部材８０の外周に形成された保持部８０
ｂによって移動自在に保持されている。油圧シリンダ１
２２は、保持部材８０に固定されており、供給排出口１
２２ａおよび１２２ｂから作動油を適宜供給、排出する
ことにより、ピストンロッド１２３が伸縮し、連結板９
２によって連結ロッド１２４に連結されたシリンダ部材
６５は油圧シリンダ１２２のピストンロッド１２３のス
トロークで矢印Ｄ１およびＤ２方向に移動する。

【００３０】上記構成の把持アーム部６２は、中心軸Ｊ
２が、図７に示したように水平方向に沿うように配設さ
れている。また、旋回機構部１５１の旋回軸Ｊ１は、図
６および図７に示したように、垂直平面および水平面の
いずれにおいても、中心軸Ｊ２に対して４５度の角度で
傾斜している。図９に示すように、旋回機構部１５１
は、ベース部１５２上に立設された架台１５３に設けら
れた回転軸１５５を回動自在に保持する保持部１５６
と、架台１５３に設けられた油圧モータ１５４とを有す
る。保持部１５６は、回転軸１５５が鉛直方向に対して
４５度の角度で傾斜するように架台１５３に固定されて
いる。回転軸１５５には、回動部材６４が固定される。

【００３１】油圧モータ１５４は、回転軸１５５と連結
しており、高圧の作動油を適宜供給することにより所望
の方向に回動部材６４を回動させる。これにより、旋回
機構部１５１は、把持アーム部６２を任意の位置に旋回
させることができる。旋回機構部１５１を駆動して、図
３に示したように、旋回機構部１５１の回転軸１５５を
ＣＣＷの向きに１２０度回転させると、把持アーム部６
２によって把持された工具Ｔは、鉛直方向の姿勢から水
平方向の姿勢に変換される。

【００３２】次に、上記構成の工具交換装置による工具
交換動作の一例について説明する。まず、工具マガジン
部２１に収納された工具Ｔをマシニングセンタに取り付
ける工具取付動作の一例について説明する。工具マガジ
ン部２１の各工具ポット２３には複数の工具Ｔが挿入さ
れており、この中から所望の工具Ｔを選択し、その工具
ポット２３を所定の位置に回転位置決めする。

【００３３】次いで、把持アーム部６２の把持爪７０を
開いて把持爪７０をアンクランプ状態にする。この動作
と重複して、選択された工具ポット２３を工具交換位置
ＰT まで上昇させる。

【００３４】次いで、油圧シリンダ１２２を駆動して、
把持アーム部６２の把持爪７０を工具交換位置ＰT にあ
る工具Ｔに向けて前進させ、把持爪７０が所定の位置に
到達したら把持爪７０に工具Ｔをクランプさせる。把持
爪７０によって工具Ｔがクランプされた状態で、工具ポ
ット２３を所定の位置まで下降させる。次いで、油圧シ
リンダ１２２を逆方向に駆動して、工具Ｔを把持した状
態の把持爪７０を後退させる。

【００３５】次いで、旋回機構部１５１の回転軸１５５
をＣＣＷの向きに１２０度回転させて把持アーム部６２
を旋回させ、把持爪７０に把持された工具Ｔを水平方向
の姿勢に変換する。この状態から、図２に示すように、
把持アーム部６２の把持爪７０を矢印Ｆの向きに前進さ
せ、工具Ｔをマシニングセンタ２００の主軸ヘッド２０
２の前方位置に移動する。次いで、主軸ヘッド２０２の
主軸２０１の向きに沿って水平姿勢に保持された工具Ｔ
に対して、マシニングセンタ２００の主軸ヘッド２０２
を移動させ、主軸２０１に工具Ｔのテーパシャンクを装
着し、主軸２０１に工具Ｔをクランプさせる。

【００３６】次いで、把持アーム部６２の把持爪７０を
開いて、工具Ｔをアンクランプし、把持アーム部６２の
把持爪７０を後退させ、把持アーム部６２をＣＷ方向に
旋回させて、把持アーム部６２を所定の原点位置に移動
する。一方、工具Ｔが装着された主軸２０１は、主軸ヘ
ッド２０２を移動させることにより、工具Ｔの他方の端
部が上記した工具サポート部２０３の保持部２０３ａに
装着される。以上により、マシニングセンタ２００への
工具Ｔの取り付け動作が完了する。

【００３７】次に、マシニングセンタ２００に装着され
た工具Ｔの工具マガジン部２１への返却動作の一例につ
いて説明する。まず、マシニングセンタ２００における
工具サポート部２０３の保持部２０３ａに装着された工
具Ｔをマシニングセンタ２００の主軸ヘッド２０２の移
動により所定の工具交換位置に移動する。

【００３８】上記の状態から、原点位置にあった把持ア
ーム部６２をＣＣＷ方向へ旋回する。この動作と重複し
て、把持アーム部６２の把持爪７０を開いてアンクラン
プ状態とする。

【００３９】次いで、所定の位置に旋回した把持アーム
部６２から把持爪７０を前進させ、マシニングセンタ２
００に装着された工具Ｔを把持爪７０によって把持す
る。この状態で、マシニングセンタ２００の主軸２０１
による工具Ｔのクランプ状態を解除し、主軸ヘッド２０
２を後退させて工具Ｔを主軸２０１から抜き出す。

【００４０】次いで、把持アーム部６２に把持爪７０を
後退させる。この状態から、把持アーム部６２をＣＷ方
向に旋回させるとともに、工具マガジン部２１の空きの
工具ポット２３を所定の位置に回転位置決めする。

【００４１】空きの工具ポット２３に対して、把持アー
ム部６２から工具Ｔを鉛直方向の姿勢で把持した状態に
ある把持爪７０を前進させ、この工具ポット２３の上方
に工具Ｔを位置させる。次いで、工具ポット２３を工具
交換位置ＰT まで上昇させる。これにより、工具Ｔの端
部は、工具ポット２３の保持穴２３ａに挿入される。

【００４２】把持爪７０を開いて、工具Ｔをアンクラン
プした後、把持アーム部６２に把持爪７０を後退させる
とともに、工具交換位置ＰT にあった工具ポット２３を
所定の位置まで下降させる。以上の動作によって、マシ
ニングセンタ２００に装着されていた工具Ｔが工具マガ
ジン２１の所望の工具ポット２３に返却される。

【００４３】以上のように、本実施形態によれば、長尺
の工具Ｔを工具マガジン部２１に鉛直方向に設置するこ
とができるので、上記した工作機械システムの省スペー
ス化が可能となる。また、工具マガジン部２１とマシニ
ングセンタ２００との間での工具Ｔの交換の際に、工具
Ｔの姿勢を工具移動機構部６１の旋回機構部１５１によ
る把持アーム部６２の旋回動作のみによって鉛直方向姿
勢と水平方向姿勢との間で変換できる。このため、工具
交換動作が簡略化され、工具交換動作がスムーズとな
り、また、工具Ｔの移動経路も最短経路をとることにな
り、工具交換に要する時間を短縮することが可能とな
る。なお、上記の工作機械システムでは、通常の長さの
工具の交換は工具交換装置２０５によって行い、長尺の
工具は工具交換装置１０で行う場合について説明した
が、本発明はこれに限定されるわけではなく、たとえ
ば、工具交換装置１０は長尺の工具でなく通常の長さの
工具にも適用可能であり、工具交換装置２０５は設置せ
ず、工具交換装置１０のみの構成も可能である。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、省スペースでの長尺の
工具の自動交換が可能になるとともに、長尺の工具の交
換時間を短縮化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の工具交換装置が適用された工作機械シ
ステムの一例を示す配置図である。

【図２】本発明の一実施形態に係る工具交換装置の構成
を示す平面図である。

【図３】図２に示す工具交換装置の側面図である。

【図４】工具マガジン部の構成を示す平面図である。

【図５】工具マガジン部の構成を示す断面図である。

【図６】工具交換アームの構成を示す上面図である。

【図７】工具交換アームの構成を示す側面図である。

【図８】工具交換アームの構成を示す断面図である。

【図９】工具交換アームの旋回機構部の構成を示す図で
ある。

【符号の説明】 １０…工具交換装置 ２１…工具マガジン部 ２３…工具ポット ６１…工具移動機構部 ６２…把持アーム部 １５１…旋回機構部 Ｔ…工具

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】略水平方向に沿った姿勢で保持された工具
   を装着可能な工作機械の主軸装置との間で工具の移動を
   行う工具交換装置であって、 前記工具を略鉛直方向に沿って保持する工具保持手段を
   有する工具マガジン部と、 前記工具を把持可能な把持手段を有する把持アーム部
   と、 前記把持アーム部を所定の姿勢で保持し、当該把持アー
   ム部を旋回させる旋回機構部とを有し、 前記把持手段によって把持された工具の姿勢を、前記旋
   回機構部による前記把持アーム部の旋回動作のみによっ
   て前記主軸装置および前記工具保持手段とに装着可能な
   姿勢に変更可能な工具交換装置。
2. 【請求項２】前記把持アーム部は、前記把持手段を任意
   の位置に直動させる移動手段をさらに有し、 前記略鉛直方向または略水平方向の姿勢に変換された前
   記工具を、前記工具保持手段または前記主軸装置の所定
   の工具交換位置に移動可能である請求項１に記載の工具
   交換装置。
3. 【請求項３】前記旋回機構部は、水平面に対して略４５
   度傾斜した旋回軸を有し、 前記把持アーム部は前記旋回軸に保持されており、 前記旋回軸を１２０度の角度で回転させることにより、
   前記工具を鉛直方向に沿った姿勢から略水平方向に沿っ
   た姿勢に変更する請求項１または２に記載の工具交換装
   置。